“智慧地鐵”示范站攝像機(jī)設(shè)置的實(shí)踐研究

王海

根據(jù)《新時(shí)代軌道交通創(chuàng)新與發(fā)展》白皮書的戰(zhàn)略綱要精神，選取廣州地鐵廣州塔站作為試點(diǎn)，開展“智慧地鐵”示范工程改造。其中基于智能分析的視頻監(jiān)控起著舉足輕重的作用，可實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別、客流分析、異常行為檢測(cè)、人員密度統(tǒng)計(jì)、熱成像溫度感應(yīng)等功能。為此，針對(duì)不同類型攝像機(jī)（分辨率為200萬像素及以上），對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，調(diào)整安裝位置及拍攝角度，找出最優(yōu)的拍攝效果。

1 人臉抓拍攝像機(jī)

廣州塔車站共安裝17臺(tái)人臉抓拍攝像機(jī)，后端服務(wù)器實(shí)時(shí)分析抓拍的人臉圖片，并將布控告警消息在平臺(tái)上展示，實(shí)現(xiàn)以圖搜圖、人臉比對(duì)、重點(diǎn)人員布控等功能。

現(xiàn)場(chǎng)使用攝像機(jī)實(shí)測(cè)有效抓拍寬度為5.2 m，可抓拍距離為5～12 m，根據(jù)設(shè)備特性及乘客行為分析，布控測(cè)試數(shù)據(jù)及分析如下。

1.1 地鐵車站入口

地鐵車站入口樓梯處為地鐵站內(nèi)與站外的分割線，需要部署人臉識(shí)別攝像機(jī)，來監(jiān)控并追蹤地鐵站范圍內(nèi)的人員情況。將攝像機(jī)安裝在進(jìn)站樓梯上、下端，其人臉識(shí)別測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比見表1。

表1 進(jìn)站樓梯上下端的人臉識(shí)別測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

分析進(jìn)站人員在下樓梯時(shí)普遍會(huì)低頭看臺(tái)階，當(dāng)進(jìn)站人員踏到最后一級(jí)臺(tái)階時(shí)，會(huì)習(xí)慣性抬頭看前方，此時(shí)抓拍效果最佳，抓拍成功率可提升20%以上，有效抓拍成功率達(dá)到95%以上，因此抓拍攝像機(jī)應(yīng)安裝在入口樓梯下端。

1.2 地鐵站出入閘機(jī)

地鐵站出入閘機(jī)是付費(fèi)區(qū)與非付費(fèi)區(qū)的分割線，部署人臉識(shí)別能有效監(jiān)控出入付費(fèi)區(qū)的人員情況。閘機(jī)前后的人臉識(shí)別測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比見表2。

表2 閘機(jī)前后的人臉識(shí)別抓拍測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

由于乘客在進(jìn)入閘機(jī)時(shí)均需要刷卡或手機(jī)掃碼，一般是低頭查看刷卡及掃描設(shè)備，此時(shí)較難捕捉人臉。當(dāng)通過閘機(jī)后，乘客普遍會(huì)抬頭張望或正視前方，此時(shí)抓拍成功率提升30%～40%，因此建議選擇乘客通過閘機(jī)后捕捉人臉信息。

1.3 站內(nèi)人流方向

地鐵站內(nèi)人流均有一定方向性，人臉識(shí)別攝像機(jī)應(yīng)盡量設(shè)置于人員流向的正前方為最佳［1］。為了避免人流前后通過時(shí)，后方人臉被前方人員遮擋，安裝攝像機(jī)時(shí)，需要一定的俯視角度［2］，如圖1所示。

圖1 人臉識(shí)別攝像機(jī)安裝位置示意圖

一般攝像機(jī)的安裝高度為5.2 m，拍攝距離D的范圍為5～12 m，可覆蓋不同高度的人群，在不同俯視角度α抓拍人臉。不同俯視角度的人臉抓拍測(cè)試數(shù)據(jù)見表3。

表3 不同俯視角度的人臉抓拍測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

經(jīng)過測(cè)試比對(duì)，攝像機(jī)的安裝以垂直方向、俯視角度15°±5°為宜。

2 扶梯行為攝像機(jī)

廣州塔車站共安裝13臺(tái)扶梯行為攝像機(jī)，通過后臺(tái)算法進(jìn)行乘客異常行為實(shí)時(shí)監(jiān)控，并自動(dòng)推送告警至物聯(lián)網(wǎng)終端。

2.1 扶梯上下方

扶梯異常行為分析算法，采用人體骨架序列進(jìn)行計(jì)算［3］，主要通過人體頭部及四肢的動(dòng)作，判斷人員行為情況，因此需要攝像機(jī)拍攝到人體特征全貌［4］。扶梯上下方的異常行為分析測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比見表4。

表4 扶梯上下方的異常行為分析測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

經(jīng)過實(shí)踐分析，由于攝像機(jī)在扶梯上方朝下拍攝時(shí)，存在上方人員遮擋下方人員的情況，攝像機(jī)無法拍攝到下方人員四肢，造成算法識(shí)別誤差率較高；而攝像機(jī)在扶梯下方拍攝時(shí)，識(shí)別精度可提升10%以上，因此建議在扶梯下方安裝異常行為分析攝像機(jī)。

2.2 安裝位置

扶梯異常行為分析攝像機(jī)的安裝位置見圖2。顯然其安裝距離和高度的不同會(huì)直接影響分析的精確度。攝像機(jī)距離扶梯太近、太低，都容易導(dǎo)致分析范圍小，無法識(shí)別人體行為；攝像機(jī)距離扶梯太遠(yuǎn)、太高，又容易出現(xiàn)遮擋，且目標(biāo)尺寸太小也無法識(shí)別。經(jīng)大量測(cè)試，攝像機(jī)安裝高度與距扶梯口的距離最優(yōu)配比如表5所示，建議根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件進(jìn)行安裝。

圖2 扶梯異常行為分析攝像機(jī)的安裝位置示意圖

表5 扶梯異常行為分析攝像機(jī)的高度H及與扶梯口距離S最優(yōu)配比

2.3 檢測(cè)區(qū)域

扶梯異常行為分析攝像機(jī)的自定義扶梯區(qū)域與檢測(cè)區(qū)域的設(shè)置，對(duì)分析情況影響較大。攝像機(jī)角度正對(duì)扶梯下方時(shí)，成像中扶梯成等腰三角形或等腰梯形，人體［5］在梯面至扶手帶范圍內(nèi)，有助于增強(qiáng)識(shí)別準(zhǔn)確性。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)大量測(cè)試，攝像機(jī)扶梯區(qū)域應(yīng)略寬于扶手帶區(qū)域，檢測(cè)區(qū)域應(yīng)略寬于梯面區(qū)域。扶梯異常行為分析攝像機(jī)最佳區(qū)域設(shè)置見圖3。

圖3 扶梯異常行為分析攝像機(jī)最佳區(qū)域設(shè)置示意圖

3 客流密度分析攝像機(jī)

廣州塔車站共安裝21臺(tái)客流密度分析攝像機(jī)，其中9臺(tái)安裝在站廳售票、安檢區(qū)，12臺(tái)分別安裝在3號(hào)線和APM線站臺(tái)，通過后臺(tái)算法實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)售票、安檢、站臺(tái)區(qū)域人數(shù)，對(duì)人員密度進(jìn)行分析，并自動(dòng)推送至物聯(lián)網(wǎng)終端，以熱力圖的方式呈現(xiàn)，便于車服人員用于實(shí)時(shí)檢測(cè)車站內(nèi)各區(qū)域人員聚集情況，更快、更精確地進(jìn)行客流控制及應(yīng)急響應(yīng)。

客流密度分析攝像機(jī)通過計(jì)算機(jī)視覺算法，對(duì)采集到的視頻圖像進(jìn)行處理。在人群密度較低時(shí)，采用計(jì)算量較小，但較準(zhǔn)確的像素?cái)?shù)統(tǒng)計(jì)，并應(yīng)用時(shí)間軸的信息進(jìn)行背景生成；在人群密度較高時(shí)，應(yīng)用小波包分解來對(duì)人群圖像進(jìn)行多角度分析，然后提取小波包分解系數(shù)矩陣的計(jì)盒維數(shù)作為特征，送入分類器進(jìn)行分類，得到人群密度等級(jí)，達(dá)到對(duì)密集客流密度實(shí)時(shí)檢測(cè)的目的［6］。因此，當(dāng)拍攝區(qū)域人員密度較高、且人員流動(dòng)性較緩時(shí)，數(shù)據(jù)的實(shí)際意義更大，也更具參考價(jià)值。建議該類攝像機(jī)部署在人員聚集且流動(dòng)性較緩的區(qū)域，例如安檢排隊(duì)區(qū)、自助售票區(qū)、站臺(tái)區(qū)等。

客流密度分析攝像機(jī)的安裝高度、拍攝角度對(duì)密度分析算法影響較大，經(jīng)過多次測(cè)試，其安裝參考數(shù)據(jù)如表6所示。

4 客流統(tǒng)計(jì)攝像機(jī)

廣州塔車站共安裝12臺(tái)客流統(tǒng)計(jì)攝像機(jī)，通過前端硬件算法對(duì)進(jìn)出人數(shù)進(jìn)行點(diǎn)數(shù)，實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)出入人數(shù)、換乘人數(shù)等，并在平臺(tái)上顯示，便于車服及調(diào)度人員對(duì)出入車站人員數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，根據(jù)客流數(shù)量啟動(dòng)相關(guān)地應(yīng)急措施。

該類攝像機(jī)采用雙目立體視覺技術(shù)［7］，基于雙鏡頭的立體攝像，可獲取目標(biāo)的高度信息，結(jié)合智能跟蹤算法，分析行人的行為軌跡，從而精確計(jì)算出客流人數(shù)及行走方向；通過對(duì)計(jì)數(shù)區(qū)域進(jìn)行分塊處理，有效解決乘客徘徊等行為導(dǎo)致的重復(fù)計(jì)數(shù)。

該類攝像機(jī)一般設(shè)置在乘客進(jìn)出站的必經(jīng)之路，以免造成統(tǒng)計(jì)數(shù)值與實(shí)際數(shù)據(jù)的差異。攝像機(jī)采用基于人體結(jié)構(gòu)特征的算法進(jìn)行識(shí)別，主要辨認(rèn)頭肩特征，其安裝需有一定的俯視角度。經(jīng)大量測(cè)試，俯視角度40°～70°可保證前后人頭肩無遮擋的同時(shí)，頭肩特征完整，建議安裝在通道中間，避免左右人頭肩遮擋，客流統(tǒng)計(jì)攝像機(jī)安裝位置見圖4，其高度及與監(jiān)控距離最優(yōu)配比見表7。

表6 客流密度分析攝像機(jī)的安裝參考數(shù)據(jù)

圖4 客流統(tǒng)計(jì)攝像機(jī)安裝位置示意圖

表7 客流統(tǒng)計(jì)攝像機(jī)的高度與監(jiān)控距離最優(yōu)配比

5 溫度監(jiān)測(cè)攝像機(jī)

廣州塔車站共安裝8臺(tái)溫度監(jiān)測(cè)攝像機(jī)，可將物體發(fā)出的不可見紅外光轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姷臒釄D像［8］，通過有顏色的圖片來顯示被測(cè)量物表面的溫度分布，根據(jù)溫度的微小差異找出溫度的異常點(diǎn)，從而對(duì)設(shè)備異常高溫起到及時(shí)識(shí)別、及時(shí)告警的作用，以便檢測(cè)到高溫情況啟動(dòng)相關(guān)應(yīng)急措施。

決定溫度監(jiān)測(cè)攝像機(jī)測(cè)溫距離的最重要因素是鏡頭焦距，直接決定了目標(biāo)成像的大小。焦距越大，成像距離越遠(yuǎn)，視場(chǎng)角越小，即內(nèi)置的熱像儀可以看到的距離越遠(yuǎn)，但水平視角越小。若要測(cè)量一個(gè)物體的溫度，需要保證物體在熱像儀中有超過9個(gè)像素。以設(shè)備房最常見的安裝高度為例，溫度監(jiān)測(cè)攝像機(jī)不同焦距的最佳監(jiān)控距離配比見表8。建議根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)安裝條件，來選擇攝像機(jī)焦距和安裝位置。

表8 溫度檢測(cè)攝像機(jī)不同焦距的最佳監(jiān)控距離配比

由于溫度監(jiān)測(cè)攝像機(jī)主要對(duì)紅外光進(jìn)行成像，對(duì)周邊環(huán)境因素的變化很敏感，因此部署時(shí)應(yīng)注意以下情況：①保持?jǐn)z像機(jī)安裝位置的平穩(wěn)，如出現(xiàn)抖動(dòng)容易導(dǎo)致溫度虛高；②探測(cè)環(huán)境要單一，避免人員頻繁流動(dòng)，因人員攜帶的高溫物品易造成誤報(bào)；③避開風(fēng)口位置安裝，風(fēng)速過大容易引起攝像機(jī)抖動(dòng)，還會(huì)導(dǎo)致熱量散失，影響該類攝像機(jī)對(duì)設(shè)備的測(cè)量。

6 總結(jié)

在廣州塔“智慧地鐵”示范站建設(shè)中，應(yīng)用了上述5種智能攝像機(jī)，成功實(shí)現(xiàn)了人臉識(shí)別布控、乘客扶梯行為異常分析、人員密度監(jiān)控、客流數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)等功能。每種攝像機(jī)均需根據(jù)其功能進(jìn)行最佳部署。該示范站的建設(shè)為即將大規(guī)模推廣智能化及信息化發(fā)展，積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。